瀝青車轍與擁包形成機(jī)理的粘彈性分析.doc

墮 壘 歟導(dǎo) 師姓 名：申 請 學(xué)位 專業(yè)論文提 交日 期答 辯 委 員 會 主 席目 琣 ， 東 南 大學(xué) 學(xué) 位 論文 獨創(chuàng) 性 聲 明東 南 大學(xué) 學(xué) 位 論文 使 用 授 權(quán) 聲 明 因 為 ：結(jié) 構(gòu)； 交 通量 小 ， 軸重也較 輕 ， 重車 比例少， 且多 系混 合 交 通， 車 輛 橫 向 分布 較 大 ， 渠 化不 顯 車 轍 形 成之 前 路面 開 裂已較 嚴(yán) 重 開 裂與車 轍 相比， 前 者 更引 人注目 ， 不 斷 地加鋪罩 面 東 南 大學(xué) 碩 十 學(xué) 位 論文 削 弱 了面層 及路面結(jié) 構(gòu) 的 整 體 強(qiáng)度， 縮短了路面的 使用壽 命 ； 由 于路面的 凹陷 和凸 起 ， 會 使超 車或 更 換 車道時 方 向 失 控 ， 從而 影 響車輛 的 操 作 穩(wěn) 定 性 。從一 定 程 度上 體 現(xiàn) 了對丁 塑 性 變形 量的 要 求， 也即 車轍 變形 的 要 求。瀝青 路面的 擁包 、 車轍 、 疲 勞 等 破 壞問 題 都與瀝青 混 合 料 的 粘 彈 塑 性 特性 有 關(guān)， 其 應(yīng)力 應(yīng)變的 本 構(gòu) 關(guān)系受 溫 度影 響， 并 且是 時 間相 關(guān)的 。 對丁路基、 基層 的 永 久變形 ， 通 常 是 利用二 軸實 驗 或 承載板 實 驗 ， 建 立 永 久變形 同荷 載及材 料 特性 之 間的 統(tǒng) 計 關(guān)系， 這 種 方 法， 如 果 面層 和基層 的 質(zhì) 鼙 控 制很 好， 通 過限制路基頂 面的 樂 府 變， 可 以把 車轍 控 制劍 容 許 的 范 嗣。 其 缺點為 ： 車轍同路基頂 面的 豎 向 壓 應(yīng)變關(guān)系僅存在一 種 定 性 犬 系， 而無 定 暈關(guān)系； 它考慮較多 的 是路基材 料或 基層 材 料的 變形 特性 ， 對面層 考慮不 夠 ； 無 法有 效衡 苗 路面結(jié) 構(gòu) 在不 同時 期的 車轍深 度”。性 有 限元計 算 ： 和 上 壓 力 的 不 均勻 性 ， 用有 限元法分 析 了車輪路面之 間的 作 塒 ， 并 對計 算 結(jié)果 進(jìn) 行 了試 驗 驗 證 ： 見 的 渤 青 面層 壓 密變形 在國內(nèi)卻 常 有 發(fā) 生 ， 壓 密變形 形 成原 因 主 要 是 有 些高速公路施 工 時 沒 有使通 車后 的 第 一 個 高溫 季 節(jié)混 合 料 繼 續(xù) 壓 密形 成了車轍 。 面層 材 料 的 側(cè) 向 流動 變形 ， 主 要 是 由于高溫 條 件 下， 車輪碾 壓 的 反 復(fù) 作 用， 荷 載產(chǎn) 生 的 剪 應(yīng)力 超 過渤 青 混 合 料 的 抗 剪 強(qiáng)度， 即 穩(wěn) 定方 法 ； 蠕 變試 驗 數(shù) 據(jù) 加 上 彈 性 分 析 的 方 法 鸙 析 方 法。 東 南 大學(xué) 在采 用輪轍 試 驗 方 法進(jìn) 行 瀝青 混 合 料 抗 印 轍性 能 的 研 究 當(dāng) 中， 通 過對大暈試 驗 數(shù) 東 南 大學(xué) 碩 十 學(xué) 位 論文川轍的 預(yù)測上。加載條件來 計算午 轍的 方法， 是 稃 中切實 可 行 的 途 徑 。 近 年 來 ， 以粘 彈 性理 論 為 基礎(chǔ) 的 車轍計算方法逐 漸成為 理 論分 析 方法的 發(fā)展主 流。 線 性粘 彈性理 論法分 柝把 路 砸各 層 對萄載的 反 映假定為 線 性粘 彈性的 ， 這 種 分 析 方法的 優(yōu)點 是 ： 盲接考 慮 了運(yùn) 動的 輪 載； 刖時 間 相 關(guān)的 特性左定 義 應(yīng) 力 應(yīng) 變 狀態(tài) ， 符 合渤 青 混 合料的 粘 彈性特 性； 考慮 了材 料的 側(cè) 向 塑性流動； 可以提供 更 好 的 預(yù)估 。它的 缺點 是 ： 沒 有 考慮 材 料的 非 線 性； 參數(shù)難確 定。許多 路 面材 料的 永久 交 形規(guī) 律 ， 但 至今仍朱得到完 滿 的 解決 ， 尚 待 理 論 與實 踐 的 進(jìn) 一 步 檢 驗。對于產(chǎn)生 車轍及擁 包 的 影 響 。 運(yùn) 用計算力 學(xué) 、 路 面力 學(xué) 及粘 彈 塑性力 學(xué) 相 關(guān)知識 ， 分 析 瀝 青 混 合 料永 久 變 形的 特 性。分 析 荷 載類 型 ， 材 料結(jié)構(gòu)與力 學(xué) 特 性等對于瀝 青 路 面形成車轍及擁 包 的 影 響 ： 第 二章 瀝 青路面車 轍與 擁包 的形 成 機(jī) 理在 混 合料 中瀝 青一 方面自身 在 荷 載作用 卜以 及 溫度的影 響下 有著自身 的變 形發(fā) 展 形式 ，另 圖 籰 瀝 青與 礦 料 交且作用 結(jié) 構(gòu) 圖瀝 青混 合料 是一 種 復(fù)雜的多相 成 分 的材料 ，其 “結(jié) 構(gòu) ”概 念 同 樣 也 極其 復(fù)雜。 特點 主要體現(xiàn) 在 ：礦 物 顆 粒 的大 小 及 其 不 同 粒 行的分 布； 顆 粒 的相 互位 置 ； 瀝 青在 混 合科 中的分 布特祉 和礦 物 顆 粒 上瀝 青層的性質(zhì)、 空 隙 率 及 分 布； 閉口孔 隙 與 開 口空 隙 的比值 等 多方面。 “瀝 青混 合料 結(jié) 構(gòu) ”是各 種 材料 單 一 結(jié) 構(gòu) 和 相 互聯(lián) 系 結(jié) 構(gòu) 概 念 的總 和 ，其 中包 括 ：瀝 青結(jié) 構(gòu) 、 礦 物 骨 架 結(jié)構(gòu) 和 瀝 青一 礦 料 分 散 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 。 上述各 單 一 結(jié) 構(gòu) 中的各 種 性質(zhì)，都對 渤 青混 合料 的性質(zhì)產(chǎn)生 很 東 南 人學(xué) 碩上學(xué) 位 論文生永 久變形 。以 后路 面 的 使 用 過 稗 中會 出 現(xiàn) 樂密 變形 。 瀝青 混 合 料材 料特 性 薹 瀝 青混合 料 永 久 變 形 機(jī) 理架 作 共 同 組 成的 綴 狹 咸 逑 怠 諭 夂 稍 刈 鱛 省 鯦由 應(yīng)力圓 包絡(luò)線 方 程可得 豢 冢 【 疓 痢 疓 ， 由 式 可得 劍 剪 切變 形 方 稃 嫜 、 貉 故 滌潁 珺 ： 松脹 域 ， 毫 鞫 燒 陀 潁 珼： 密實流 動 域 罅系 淖 畬罅 叮 以上 的碎石 含 量 欏秈 的宙 筮 、 表 面粗糙 程 度和 顆 粒 形狀 嗟謀 旰派 馡 高溫 粘 度 城 嗷 旌 狹系 募 杜 瀅 窱 密實度 第 驢 鼻 嗦訪姹 逭 總 之， 瀝 青 路面車轍 不 是一 個方 面一 個因 素 的 作用 而促 使 其 形 成， 是各種 岡 素 的 綜 合作用 。 通 過 本 章 的 論述，可 以得到下 面 兒 點 認(rèn) 識 ：頓 流動定 律 的 牛 頓 流體 ，也不 是 遵 從胡克 定 律 的 胡克 彈 性 體 ，是 一 種 典 型的 流變 體 。 第 三章 枯 并分 析基 本 理 論論 是 線 性還 是 非線 性， 討 論 戍 力 平位移時 一般 假定應(yīng) 力 與 位移只 取決 于 作 用荷載的 人小 ， 而 與加荷過 程 及荷載時 間 的 長 短 無關(guān)。 具 有 層狀 結(jié) 構(gòu) 的 道 路 采 用了這 種假定， 使 道 路 的 變 形和壽 命的 計算大為 簡 化。 但 在 荷載比 較 大時 ， 道 路 的 渤 青 面 層除產(chǎn)生 瞬 時 彈性變 形外 ， 還 會隨 著荷載作 州 時 間 的 增 加， 變 形逐漸 增 大，￥ 現(xiàn) 山 蠕 變 效 應(yīng) 。 如 果周 圍 環(huán) 境 溫度 比 較 高 ， 蠕 變 效 應(yīng) 會更加顯老 ”。 根 據(jù) 流變學(xué) 的模 犁 理 論 ， 彈、 粘 、 塑 性 是認(rèn) 識材 料 力 學(xué) 特 性 的最 基本 單 元， 這些 基本 單 元更 為 復(fù) 雜 的組合 模 氆 ， 從 而最 人 群度 地 反 映 材 料 真實 的力 學(xué) 特 性 ?；?，當(dāng)采 緙 撲 閬掄 奘匝 槎 榷菵 次， 時 嘲硼 第 三 章 粘 彈性 分 析皋 奉 理 論以 啊踋 島 才 東 南 人 學(xué) 碩 上 學(xué) 位 論文式中 ， 鏟為 粘 、 塑 性 應(yīng) 變率 ；彈性 應(yīng) 變率 可 直 接寫 成， ： 魚鏟鄧 卵薏 第 三 章 粘 彈性 分 析皋 奉 理 論芋： 皂妒 撼 珍 擊將 上 述 各式 兩 邊 彼 此 相減平方 后 再 相加 ， 得融珍 統(tǒng) 霾鷏滓 還 敢 徊 懇 徊 東 南 人學(xué) 碗上學(xué) 位 論 文口 鰲俊 緖 以 桓 棕 懇 瘓室粆 F矯嬗湫奚螮矩 陣 ； 弧蝟心 禞將 、 醬 式 可 得 一 鰳必 鰳 一 肺均 蝟 ：一 第 三章 粘 彈 性分析 摹 奉 理論喘 豸 踭； 諩 玶 篒 骫礎(chǔ)臨，對 于粘 彈 性面 層 采 用八節(jié)點 等 參 元 ，相麻的形函 數(shù) 為 ： 島 搿 痮 籪 ： 搿羖 一 魯 豢 陋卜 一 應(yīng) 變矩 陣 。 東 南 人學(xué) 碩上學(xué) 位 論文掃砰 輳 禞【 車轍 與 擁 包形 成過 程分析 指 標(biāo)的 確 定 第 三章 粘井竹分析 蘋本 理論 竡 巳 吒 一 弓一 一 式中： 奴 稱 為 平 均 應(yīng)力 。占 丟 鈿 趏 第 三章 粘 彈性分析 蘋 奉 理論 的狀態(tài) 進(jìn) 行分 析 ， 搞清楚 車 輛行駛時 路 面 的動態(tài) 應(yīng) 力 狀況和特點。多 數(shù) 高 速公路 的、 招 曰 愫 笥 遙 紗 轡 榷 槭 或 礫 或 灰粉煤 灰穩(wěn) 圖 路面結(jié) 構(gòu)圖 示 東 南人 學(xué) 碗上學(xué) 位論 義大 ，可 起 到 事 半 功 倍 的 效 果。 在 所 研 究 的 路面區(qū)域 盜 拘 惺 磺 網(wǎng) 格劃分 較密，而 將其它 平 衡 準(zhǔn) 則 給 出 了 每 格荷 載 步 收斂 的 允 許 范 嗣 。 在 單 個 自 由 度 非 線 性 分 析時 采 。 赾 “通 過 實驗積 累 數(shù) 據(jù)，按 步 驤對數(shù) 據(jù)進(jìn)行多 次 同 歸 分 析， 諉 扛鍪奔淶 除 起 始 點 梢 緣 媒 輟 ， ，輸 入表格； 扣 、 石：面圖 腫 鱆 接 地面積有 限元 計算 時 ，采用后 軸 載 進(jìn)行加載 ，每 個 輪 胎 承受 荷 載 為 ，輪 胎 壓 力 為 勻 速 移動 車載 下瀝青 路 面 應(yīng) 力狀態(tài) 的 時 程特 性一局 部 范罔 內(nèi)的 受 力情 況較為復(fù)雜 。來分析 其受 力狀況。 由于 模犁 材 料 呈 粘 彈 性 ，故移動 荷 載 作 減小 。 瀝青 表 面 層 范圍 內(nèi)的 壓 應(yīng) 力晟 人，其上 下表 面 應(yīng) 力值變 化 并 不人，表 面 層以料 基 層和 底 基 層到 達(dá) 土 基 壩 面 時 ，已降 劍 了 一個 很 小 的 值。翟一 一。 。 瀝青 、中 面 層結(jié)合 部 卜 瀝青 中 ，下面 層結(jié)合 部面 ，隨 著 深 度 的 增加 壓 應(yīng) 力逐 漸減小 。 至半 剛 性 基 層水平 應(yīng) 力變 為拉 應(yīng) 力。 最 人拉 應(yīng) 力發(fā) 生在 東 南 大學(xué) 碩十學(xué) 位論 義曇 簍 圖 為母 直 荷 載 什 懈招圓 城 嗦 訪 婧 岫 廈嫻 淖釗 擻 植 紀(jì) 肌 中 路 面出 現(xiàn) 拉 府力，晟 人值 簧 疃 菷 車道 兩 側(cè) 橫向應(yīng) 力方向與中 間相 反 。 說明 移動 荷 載 一 瀝青 上中 向爛 結(jié)臺 部 話 氪 曰 閿 氳 啄 崽 弧 弧 雇摹“與咖土基 話 擘 笮曰 樸 氚 嬲 輩憬 崽 懇弧 一扁輦艋 與土基 結(jié)合 部 出 現(xiàn) 在路 中 深 度 笥掖 繁淼 淖畬 蠹 舾 表 面 層底 部 最 大剪應(yīng) 力值為 東 南 人學(xué) 顧上學(xué) 位 論 文觀 測點 應(yīng)一 一半 剛忭基 層與 底 孽從 結(jié)臺部 一弧庭塾芷與 上萜站 臺部形 與 蠕 變應(yīng) 變均 曲 線增 大 。 加珊川加哪 啪咖叭帆 圖 稍 刈 鱛 次 數(shù) 與 豎 向 變形 關(guān) 系 幽設(shè) 荷載作用 次 數(shù) 為 稍 刂 行牡閌 蛭 灰 莆 猋 。數(shù) 值預(yù)測模 型采用 以下多 項 式 ：雜 諭 一 中曲 線的 擬合 函 數(shù) 為 東 南 人學(xué) 碩上學(xué) 位 論文圖 煌 潯 洳 問 潞 稍 刈 鱆 次數(shù) 與 豎向 變形 關(guān) 系圖 不 同 面 層 厚 度 各 觀 測 點 最 大 垂 直 壓 戍力觀 測 點 、應(yīng) 力 值 一 表 不 同 面 層 厚 度 荷 載中心 的路 表 彎沉 表 不 同 面 層 厚 度 各 觀 測 點 最 人剪 應(yīng) 力面 層 厚 度 觀 測 點 剪 應(yīng) 力 表 不 同 面 層 厚 度 各 觀 測 點 八面 體剪 廊 力觀 測 點 剪 應(yīng) 力 圖 豎向 八面 體剪 鹿 力 分 布循環(huán) 荷 載數(shù) 值 模擬圖 不 同 面 層 凈 度 豎向 變形 比 較 圖 觀 測點 、 應(yīng)力 值 表 不同 面 層厚度 荷 載 中心 的路 表 彎沉不同 面 層模 暈 各 觀 測點 最人剪 府 力觀 測點 剪 府 力 不 同 面 層 模暈 各 觀 測點 八面 體 剪 應(yīng) 力圖 豎 向 八面 體 剪 應(yīng) 力分 布圖 不 同 面 層 模量 豎 向 變 形 比 較圖 觀 測點 麻 力值 一 不 同 基 層 模肇 各 觀 測點 最 大剪 應(yīng) 力觀 測點 剪 應(yīng) 力不 同 基 層 模暈 各 觀 測點 八面 體 剪 應(yīng) 力觀 測點 剪 應(yīng) 力由 倒 梢 允觶 娌 隳 謐釗 思 粲 歡 【嗦 繁礱 左 右 處 ，基 層 模督 的 增 加并 未、時， 東 南 大學(xué) 碩 十 學(xué) 位 論文黿絲瓣 啪乏搿辬 不同 基 層厚 度薦 觀 測 點 最 大垂 直 壓 應(yīng) 力基 層厚 度不同 面層 厚 度荷 載 中 心 的 路表彎沉基 層片 度大而減小 。可 見增加 基 層厚 度會 顯 著 的 增加 面層 中 的 剪 切 破壞。不同 面層 厚 度各觀 測 點 雖 人 剪 府 力不同 面層 厚 度各觀 測 點 八面體剪 戍 力觀 測 點 剪 應(yīng) 力 東 南 人學(xué) 碩上學(xué) 位 論文圖 豎 向 八 面 體 剪 應(yīng) 力 分 布粕彈性 瀝 青面 層的 豎 向 蠕變 受 溫 度 的 影 響 較 大 。本 文 針 對 瀝 青路面 層材 料的 粘 彈 性 特性 ，依據(jù)溫 度 的 影 響 稃 度 不同 ， 選 取 了 三 組 材 料流 變 參 數(shù) ， 對 材 料祀 彈 性 影 響 路面 變 形進(jìn)行 了 數(shù) 值模擬， 計 算 結(jié) 果表明 ， 隨著 溫 度 的 增 加蠕變 參 數(shù) 的 增 大 ， 瀝 青路面 的 豎 向 變 形逐 漸 增 人。在 低溫 狀態(tài) 下 分 析 模利產(chǎn) 生的 豎 向 蠕變 非 常 ??； 而 在 高溫 狀態(tài) ， 路面 產(chǎn) 生了 明 顯 的 豎 向 蠕變 ， 并 隨著 荷 載 作 用次 數(shù) 的 增 大 逐 漸 增 加。 第 五章 車 輛制動 作 用下瀝青路 面 變 形 分析本 節(jié)計算分析水 平荷 載 和乖 肖 荷 載 綜合 作 用下的 瀝青路 面 的 應(yīng) 力 和位 移 。 路 面 結(jié)構(gòu) 的 有 限 兄一車 輪 對 路 面 作 用的垂直 力；妒 一路 面 的附 著系數(shù) 。良 好的瀝青路 面 附 著系數(shù) 為 。圖 為制動 荷載位 于 模 型中點 時 路 面 彎沉與 應(yīng) 力截面 圖 示。由以 割 可知 ，沿 荷載幽 乖 商 方 向 伸移蚓大 了 。可 見 制動 過 稃 中路 表彎沉有顯 著 增 加 ，使路 面 的彎沉破 壞 大 大 增 強(qiáng)。 一圖 路 表彎沉與 車 速 的關(guān) 系曲 線 牽 。一瀝青表面 層卜 部一 一瀝青卜 中面 層結(jié)合 部 禱 閿 星結(jié)合 部應(yīng) 力值 變 化 較小 ，因 而 橫 向 麻 力受車 速 變 化 的影 響 不 大 。 下面 層與 平 剛制基 層結(jié)合 部 圖 垂直 應(yīng) 力與 車 速 的關(guān) 系 曲 線一 一珊 肯上 ，中由聯(lián) 結(jié) 酃 一半喇 性 摹 腭 枇=岷 喜懇 弧 械 基 層與 上 摹 結(jié)岔部 東 南 人學(xué) 碩上學(xué) 位 論文受 車輛 速 度影響 最大 ， 路表 最大 剪 應(yīng) 力 由 增 大 到 ， 增 大 了 。 最大 剪應(yīng) 力 瀝青 表 層 最丈 ，隨 著 深 度的 增 加逐 漸 減小，且增 加的 幅度也逐 漸 減小，至 底基 層 底部基 本無 變 化 。 由 此 可 見 ， 車輛 制 動 作 將 會 極 人的 增 加 瀝青 面 層 的 剪 切破 壞。擁包 形 成 的 粘 彈性 數(shù)值 模 擬圖 荷 載 作 用次 數(shù)與 荷 載 之 前的 路面 擁起高 度關(guān) 系 圖 設(shè) 荷 載 作次 數(shù) 為 稍 刂 行牡 閌 蛭 灰 莆 猋 。數(shù) 值 預(yù)測模氆采用以 下多 項 式 ：通 過 多 次 返 算 發(fā) 現(xiàn) 當(dāng) 時 擬 合 效果 良 好 ， 擬 合 曲 線 與 原 曲 線 基 本 重合 ， 此 時 多 項 式 相 關(guān)系 數(shù) ， 計 算 結(jié) 果 如下：次循 環(huán)荷 載 作圖煌 潯 洳 問 鼺 荷 載 作坩 次 數(shù) 與 路 面 最 人 擁 起高 度 關(guān) 系 圖釜 東 南 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論立 面 層 底 部 基 層 底 部 草層 底 部 啪啪咖一占世蝮溜軍面 層模暈 鄧 東 南 人學(xué) 碩上學(xué) 位 論史 一 第 五章 中 輛制 動 作 用 下 瀝青路面變 形 分 析模暈 下 面層底 部 與基 層底 部 隨 車速 變 化 曲線 。 可 以看 出 ， 相 同車速 下 路表 水平 壓 應(yīng) 力隨 著基 層模茸 的增 大而 減 小 ；面層底 部 水平 壓 應(yīng) 力與基 層底 部 水平 拉 應(yīng) 力隨 基 層模量 的增 人而 增 大。表 臚 說 明基 層挨 量 的增 大會 增 加制 動 路段面層底 部 與基 層底 部 的水平 力的破壞 ?；?層模茸 鄧 面層底 部 ： 嘭 貶 豁凳： ： ： ： 一一 亂 幻 娌 愕 撞 綪 基 層模昔 鄧 一面層底 部 講 愕 撞 東 南 丈學(xué) 碩士 學(xué) 位 論文圖 不 同基 層 模鼉 路 面 擁起高 度 比 較 圖 面層底部 一曲 崖 底部 第 五章 車 輛制動 作用下 瀝青路 血 變形 分 析罷 相對車轍 深 度 、 ， 、 就越 長 ，對 路 面 的 破 壞 越 人。 基 層的 結(jié)合 處